文档介绍：半导体光电二极管
半导体光电三极管
第三节:光电二极管
优点:
量子效率高、噪声低、响应快、线性工作范围大、耗电少、体积小、寿命长及使用方便。
制造材料:硅、锗、砷化镓、磷砷化镓等
结构: PN结型、PIN结型、雪崩型以及肖特基结型
一、光电二极管的原理及结构
硅光电二极管原理图
n
p
SiO2
RL
Vb
原理:光电二极管一般工作在反向偏置状态
n
p
SiO2
硅光电二极管示意图及符号
结构:与光电池相似
根据基底不同,分为2DU型和2CU型:
2DU型:P型基底上重掺杂N+型层
2CU型:N型基底上重掺杂P+型层
n
p
SiO2
环极结构图
表面漏电流
n
p
前极
环极
后极
n+
环极结构
光电二极管和光电池的主要差别:用途不同
光电池:能量转化提高转化率
光电二极管:探测灵敏度、响应快、高量子效率
特性差异:1、响应范围要求不同;
2、响应时间不同
3、工作模式不同
偏置方式
掺杂浓度
(cm3)
电阻率(/cm)
受光面积
光电池
零偏
1016-1019
-
大
光电二极管
反偏
1012-1013
1000
小
结构差异
二、光电二极管的特性参数
1、伏安特性:
光照下p-n结光电二极管的伏安特性可用下式表示
式中V为p-n结两端外加电压
1)光照后,光电二极管的伏安特性曲线沿电流轴向下平移,平移幅度与光照成正比。
2)在一定反向电压范围内,反向电流的大小几乎与反向电压无关,而在入射光照度一定条件下,输出电流恒定。
IL(μA)
V
光电二极管的伏安特性曲线
E增大
2、光谱响应:
响应率随波长的变化曲线称为光谱响应曲线
长波:基区少子寿命和扩散长度
短波:受光表面载流子的复合速度和表面区中的寿命
设计时应考虑
1)改善长波响应的措施
A、选用电阻率高的材料:增加基区少子的扩散长度;
B、尽可能选取少子寿命长的材料,减少体内复合损失;
C、加强退火处理,减少在高温热处理后,基区少子寿命降低造成的损失。
2)改善短波相应的措施
A、减小结深;
B、选择适当掺杂剂和表面浓度;
C、提高表面质量,通过钝化来降低表面复合速度。
3、暗电流
光电二极管的暗电流包括:
1)反向饱和电流:反偏时有少数载流子扩散引起的
2)势垒区产生—复合电流:势垒区存在复合中心
3)表面漏电流
4、响应时间
取决于:1)光生载流子扩散到结区的时间
2)光生载流子在势垒区中的漂移时间
3)势垒电容引起的介电时间驰豫
5、温度特性
温度增加,光电流增加,暗电流也增加,信噪比降低
信号检测时,应采取恒温或补偿措施。
减小PN结光电二极管的响应时间,可采取如下措施
1)减小PN结面积;
2)增加势垒区宽度,提高材料体电阻率和增加结深;
3)适当增加工作电压;
4)尽量减少结构造成的分布电容;
5)增加PN结深,减小串联电阻;
6)设计选用最佳负载阻值。